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Alcune Riflessioni sugli Eventi di Fukushima

Per gentile concessione di Marco Zoli
17 marzo 2011

Di fronte ai disastri di origine naturale e di origine umana che hanno colpito il Giappone mi sembrava che la cosa migliore da farsi, almeno per qualche giorno, fosse quella di tacere.
Era poi ovvio che gli eventi in corso ai reattori nucleari di Fukushima avrebbero alimentato il dibattito interno già effervescente e destinato ad intensificarsi in vista dei referendum. Il monte-ore che viene dedicato, sia in privato che in pubblico, a queste discussioni è enorme e, se solo una frazione di questo tempo venisse dedicata a produrre e studiare, il popolo si ritroverebbe molto più ricco ed anche molto più preparato a valutare le questioni relative alla produzione di elettricità da fonte nucleare. Ma ciò, ahimè, temo non avverrà nè prima nè dopo il referundum.

Il Nucleare è tema che storicamente appassiona ed induce a schierarsi. Molti mi hanno chiesto negli anni se io fossi pro o contro il nucleare ma nessuno mi ha mai chiesto se io sia pro o contro il metano o il carbone.  Chissà perchè.  Mentre sui media proliferano dibattiti e commenti, l'individuo-massa tende a schierarsi facendo una scelta di tipo caratteriale. E così succede che l'individuo con impostazione pragmatica tenda ad essere pro mentre l'individuo più sognatore tenda ad essere contro. Il primo è prevalentemente un maschio, macho e duro, con idee conservatrici mentre il secondo è tipicamente maschio non molto duro, sensibile e progressista oppure donna che ha saputo degli effetti della radioattività sui corpi umani e in particolare sui nascituri.

Ignorando i dibattiti e prescindendo dalle scelte caratteriali mi viene voglia di metter per iscritto alcune semplici considerazioni.

La relazione di equivalenza tra massa ed energia stabilisce che, se in una qualsiasi reazione, sparisce 1 chilo di massa essa

si tramuta in un'energia di 25 miliardi di chilowattora (KWh).  Questa energia equivale al consumo elettrico di 3 anni per una città di 1 milione di abitanti ipotizzando che ogni abitante consumi 25000 KWh, cioè 8300 KWh annui. E' chiaro che l'idea è suggestiva: coprire in modo generoso il fabbisogno di energia elettrica degli umani viziati utilizzando un pugno di materia.

Il problema però sta nel come far sparire quel chilo di materia e tramutarlo in energia!

Se bruciamo degli atomi di carbonio, siano essi contenuti nel sesamo o in un pezzo di litantrace o nel metano, provochiamo una riduzione di massa: i prodotti della combustione pesano meno del carbonio iniziale e la differenza di massa è tradotta in energia che alimenta il mio metabolismo (sesamo) oppure il frigorifero di qualche amico frizzante (litantrace, metano).  Quella differenza di massa è però piccolissima, meno di un miliardesimo, poichè la combustione tocca solo i gusci esterni degli atomi. Di conseguenza ci servono enormi quantità di antracite, litantrace, petrolio e metano per soddisfare i bisogni energetici di società dipendenti dai combustibili fossili.

La scoperta della radioattività (Henri Becquerel, 1896) in Francia aprì una nuova epoca nella storia dell'umanità. Nei quattro decenni a venire divenne evidente che nel cuore degli atomi era racchiusa una quantità di energia milioni di volte più grande di quella contenuta nei gusci elettronici esterni.

L'attenzione dei fisici si rivolse in particolare all' Uranio, l'elemento più pesante esistente in natura. Fermi e il gruppo di Roma furono i primi a spaccare (fissionare) l'Uranio usando neutroni lenti ma l'identificazione dei prodotti di fissione, tra cui il Bario, fu fatta nel 1938 da Hahn e Strassmann a Berlino. L'interpretazione del fatto sperimentale venne tra la fine del 1938 e gli inizi del 1939 grazie a Lise Meitner (esiliata in Svezia) e a suo nipote Otto Frisch (Copenhagen). Fu appunto Frisch ad introdurre il termine fissione per definire questo processo straordinario in cui la differenza di massa tra i prodotti finali della reazione e il nucleo di Uranio iniziale era di un millesimo...l'energia liberata nel processo di fissione era di 200 milioni di elettronvolt. Nel Febbraio del 1939 fu Niels Bohr ad intuire che la fissione indotta da neutroni lenti avveniva in un tipo particolare di Uranio, l'Uranio-235,  parente dell' Uranio-238 ma più instabile e dunque più raro in natura.

A questo punto erano noti tutti gli elementi fondamentali per realizzare la reazione nucleare a catena (già immaginata da Leo Szilard nel 1934) e disporre di enormi quantità di energia sia a fini militari che a fini civili.

Laddove finisce un capitolo straordinario di storia della fisica inizia la storia tecnologica della costruzione di reattori in cui la reazione a catena possa aver luogo in modo controllato: una fissione deve indurre una successiva fissione e non di più. Il processo non deve divergere, non deve scappare di mano, altrimenti si innesca l'effetto della bomba e succede un disastro.

Un reattore da 1 GigaWatt (GW) di potenza produce tipicamente 7 miliardi di KWh all'anno dunque in poco più di tre anni esso produce quell'energia equivalente ad 1 kg di massa di cui dicevo all'inizio. In realtà sono 3 kg di massa che spariscono: 2 chili se ne vanno sotto forma di calore a scaldare l'acqua dei mari e dei fiumi che raffreddano le centrali mentre 1 chilo viene convertito in elettricità. Le leggi della termodinamica impongono dei vincoli precisi e cominciano a farci capire come il reattore nucleare, grande opera tecnologica, contenga delle assurdità intrinseche.

Per il medesimo reattore, bisognerà sostituire circa 25 tonnellate di Uranio arricchito ogni anno (il suo carico totale è di circa 100 tons) perchè si esauriscono. L'Uranio arricchito contiene una percentuale di Uranio-235 di circa il 4%  e ciò significa che, ogni anno, esso reattore richiede circa 1 ton di U-235.  Questo isotopo è però presente in natura in percentuali di circa 0.71% sul totale dell'Uranio disponibile e, per estrarre 1 ton di U-235, bisogna utilizzare (con operazioni molto costose ed energivore) 200 tons di Uranio naturale il quale è presente sulla crosta terrestre in percentuali di 4 parti per milione e negli oceani di 3 parti per miliardo.

Le cose si complicano ulteriormente e diventano anche molto più noiose...la fisica nucleare lascia il posto alle ruspe che scavano nelle miniere milioni di tonnellate di roccia onde racimolare sufficienti quantitativi di ossidi di uranio con cui nutrire i reattori. Alla fine del lungo ed inquinante ciclo produttivo i pellets di ossidi di uranio vengono disposti all'interno di tubi di leghe di zirconio. Questo metallo è estremamemente resistente alla corrosione e manifesta una scarsa predisposizione a catturare i neutroni emessi nella reazione a catena, dunque non la ostacola.  C'è però un problemino: le leghe di zirconio sopra ai 1200 °C,  a contatto con l'acqua, si ossidano in fretta. L'acqua si scinde e si libera idrogeno il quale non appena viene a contatto con l'aria esplode. E' quel che è successo a Fukushima dopo che, a causa del fallimento dei generatori Diesel seguito allo tsunami, non è più stato possibile raffreddare con acqua le barre di combustibile e quindi la temperatura delle medesime è salita.

Ancora una volta la natura ci ha offerto un materiale importante e con molti vantaggi. In determinate condizioni però quei materiali possono diventare pericolosi. La saggezza degli umani sta nel saper usare le risorse naturali con parsimonia.

Nel caso specifico qualcheduno argomenterà che l'evento terremoto + tsunami è stato eccezionale o forse che la centrale di Fukushima era vecchia. Si tratta di argomenti deboli: l'evento eccezionale può sempre riproporsi in modo ancor più eccezionale e imprevedibile.  Vedo peraltro che i due nuovi reattori in costruzione in Giappone sono anch'essi (come quelli di Fukushima) del tipo ad acqua bollente (BWR) per quanto avanzati (ABWR)...queste sono però finezze che non cambiano il nocciolo della faccenda: il margine di rischio associato a queste modalità di produzione di elettricità è troppo elevato. Ed alla riduzione del rischio si accompagna l'incremento dei costi, già straordinari.

A questo punto anche il macho pragmatico pro nucleare comincia a riflettere ed a chiedersi se il gioco valga la candela. Egli è istruito e dunque sa che 1 kg di Uranio arricchito al 3.5% ha un contenuto termico di 3900 GigaJoule mentre un litro di petrolio contiene 39 MegaJoule, centomila volte di meno...egli è intraprendente e dunque vorrebbe sfruttare quella enorme risorsa, la tentazione è grande.  L'esperienza accumulata e la storia dei fallimenti dell'industria nucleare ora però lo inducono a pensare e gli fanno capire che le leggi di natura vanno studiate e rispettate.

Dopo aver avuto la grande fortuna di poter abitare in questa biosfera dovremmo avere almeno il buon senso di non perturbarla troppo.  Tanto più che, per il semplice obiettivo di produrre energia elettrica, esistono oggi  tecnologie mature e strategie ben più intelligenti di quelle connaturate all'opzione nucleare.

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